SK288876B6 - Spôsob výroby nanokompozitného materiálu s antibakteriálnymi vlastnosťami, takýto materiál a jeho použitie - Google Patents
Spôsob výroby nanokompozitného materiálu s antibakteriálnymi vlastnosťami, takýto materiál a jeho použitie Download PDFInfo
- Publication number
- SK288876B6 SK288876B6 SK50017-2017A SK500172017A SK288876B6 SK 288876 B6 SK288876 B6 SK 288876B6 SK 500172017 A SK500172017 A SK 500172017A SK 288876 B6 SK288876 B6 SK 288876B6
- Authority
- SK
- Slovakia
- Prior art keywords
- hcqd
- carbon quantum
- antibacterial properties
- quantum dots
- nanocomposite material
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 48
- 230000000844 anti-bacterial effect Effects 0.000 title claims abstract description 44
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 53
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims description 11
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 41
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 37
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 29
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 26
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims abstract description 20
- 229920003171 Poly (ethylene oxide) Polymers 0.000 claims abstract description 16
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 claims abstract description 13
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims abstract description 12
- -1 dimethylsiloxane Chemical class 0.000 claims abstract description 9
- KAKZBPTYRLMSJV-UHFFFAOYSA-N Butadiene Chemical compound C=CC=C KAKZBPTYRLMSJV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- RRHGJUQNOFWUDK-UHFFFAOYSA-N Isoprene Chemical compound CC(=C)C=C RRHGJUQNOFWUDK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- XNGIFLGASWRNHJ-UHFFFAOYSA-L phthalate(2-) Chemical compound [O-]C(=O)C1=CC=CC=C1C([O-])=O XNGIFLGASWRNHJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 5
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M Acrylate Chemical compound [O-]C(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 4
- VQTUBCCKSQIDNK-UHFFFAOYSA-N Isobutene Chemical group CC(C)=C VQTUBCCKSQIDNK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 2
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 66
- HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N Chloroform Chemical compound ClC(Cl)Cl HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 44
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 32
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 29
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 229920000346 polystyrene-polyisoprene block-polystyrene Polymers 0.000 claims description 16
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 11
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 238000001523 electrospinning Methods 0.000 claims description 8
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 8
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 claims description 5
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 4
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 4
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 4
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 3
- 239000012943 hotmelt Substances 0.000 claims description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 3
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 2
- 238000009987 spinning Methods 0.000 claims description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 abstract description 13
- 230000036542 oxidative stress Effects 0.000 abstract description 4
- 230000035899 viability Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005286 illumination Methods 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 33
- 238000004435 EPR spectroscopy Methods 0.000 description 21
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 15
- 229920002633 Kraton (polymer) Polymers 0.000 description 14
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 description 9
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 9
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 9
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- YAXWOADCWUUUNX-UHFFFAOYSA-N 1,2,2,3-tetramethylpiperidine Chemical compound CC1CCCN(C)C1(C)C YAXWOADCWUUUNX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- RKMGAJGJIURJSJ-UHFFFAOYSA-N 2,2,6,6-Tetramethylpiperidine Substances CC1(C)CCCC(C)(C)N1 RKMGAJGJIURJSJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 7
- 239000012074 organic phase Substances 0.000 description 7
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 7
- 239000000047 product Substances 0.000 description 7
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 7
- 208000015181 infectious disease Diseases 0.000 description 6
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 6
- FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N Silver ion Chemical compound [Ag+] FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 5
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 5
- 239000003139 biocide Substances 0.000 description 5
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 5
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 5
- RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N Acetaminophen Chemical group CC(=O)NC1=CC=C(O)C=C1 RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000032770 biofilm formation Effects 0.000 description 4
- 239000013060 biological fluid Substances 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 238000001218 confocal laser scanning microscopy Methods 0.000 description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 4
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000002173 high-resolution transmission electron microscopy Methods 0.000 description 4
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 4
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 4
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 241000588724 Escherichia coli Species 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- RVGRUAULSDPKGF-UHFFFAOYSA-N Poloxamer Chemical compound C1CO1.CC1CO1 RVGRUAULSDPKGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000845 anti-microbial effect Effects 0.000 description 3
- 239000008346 aqueous phase Substances 0.000 description 3
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 3
- KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N citric acid Chemical compound OC(=O)CC(O)(C(O)=O)CC(O)=O KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000006482 condensation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 3
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 3
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 3
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 3
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 239000003642 reactive oxygen metabolite Substances 0.000 description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 3
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 3
- RBTBFTRPCNLSDE-UHFFFAOYSA-N 3,7-bis(dimethylamino)phenothiazin-5-ium Chemical compound C1=CC(N(C)C)=CC2=[S+]C3=CC(N(C)C)=CC=C3N=C21 RBTBFTRPCNLSDE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IRIAEXORFWYRCZ-UHFFFAOYSA-N Butylbenzyl phthalate Chemical compound CCCCOC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCC1=CC=CC=C1 IRIAEXORFWYRCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical compound C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WHUUTDBJXJRKMK-VKHMYHEASA-N L-glutamic acid Chemical compound OC(=O)[C@@H](N)CCC(O)=O WHUUTDBJXJRKMK-VKHMYHEASA-N 0.000 description 2
- 241000589242 Legionella pneumophila Species 0.000 description 2
- RJQXTJLFIWVMTO-TYNCELHUSA-N Methicillin Chemical compound COC1=CC=CC(OC)=C1C(=O)N[C@@H]1C(=O)N2[C@@H](C(O)=O)C(C)(C)S[C@@H]21 RJQXTJLFIWVMTO-TYNCELHUSA-N 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- 241000191967 Staphylococcus aureus Species 0.000 description 2
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 2
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000003242 anti bacterial agent Substances 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 230000003115 biocidal effect Effects 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000010908 decantation Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000007380 fibre production Methods 0.000 description 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 2
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000004816 latex Substances 0.000 description 2
- 229920000126 latex Polymers 0.000 description 2
- 229940115932 legionella pneumophila Drugs 0.000 description 2
- 231100000053 low toxicity Toxicity 0.000 description 2
- 229960000907 methylthioninium chloride Drugs 0.000 description 2
- 229960003085 meticillin Drugs 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 238000002428 photodynamic therapy Methods 0.000 description 2
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 2
- 238000009428 plumbing Methods 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000010186 staining Methods 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 2
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 2
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 2
- LUYIHWDYPAZCNN-UHFFFAOYSA-N 2-butyl-1,2-benzothiazol-3-one Chemical compound C1=CC=C2C(=O)N(CCCC)SC2=C1 LUYIHWDYPAZCNN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZKHQWZAMYRWXGA-KQYNXXCUSA-J ATP(4-) Chemical compound C1=NC=2C(N)=NC=NC=2N1[C@@H]1O[C@H](COP([O-])(=O)OP([O-])(=O)OP([O-])([O-])=O)[C@@H](O)[C@H]1O ZKHQWZAMYRWXGA-KQYNXXCUSA-J 0.000 description 1
- ZKHQWZAMYRWXGA-UHFFFAOYSA-N Adenosine triphosphate Natural products C1=NC=2C(N)=NC=NC=2N1C1OC(COP(O)(=O)OP(O)(=O)OP(O)(O)=O)C(O)C1O ZKHQWZAMYRWXGA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000035143 Bacterial infection Diseases 0.000 description 1
- 239000004801 Chlorinated PVC Substances 0.000 description 1
- ZVFDTKUVRCTHQE-UHFFFAOYSA-N Diisodecyl phthalate Chemical compound CC(C)CCCCCCCOC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCCCCCCCC(C)C ZVFDTKUVRCTHQE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000032612 Glial tumor Diseases 0.000 description 1
- 206010018338 Glioma Diseases 0.000 description 1
- 229910001209 Low-carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 206010034133 Pathogen resistance Diseases 0.000 description 1
- 208000037581 Persistent Infection Diseases 0.000 description 1
- 206010035664 Pneumonia Diseases 0.000 description 1
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 description 1
- 229920002367 Polyisobutene Polymers 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 206010040047 Sepsis Diseases 0.000 description 1
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 229920006318 anionic polymer Polymers 0.000 description 1
- 229940088710 antibiotic agent Drugs 0.000 description 1
- 238000011203 antimicrobial therapy Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 238000003556 assay Methods 0.000 description 1
- 230000004900 autophagic degradation Effects 0.000 description 1
- 208000022362 bacterial infectious disease Diseases 0.000 description 1
- 244000052616 bacterial pathogen Species 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 1
- 208000037815 bloodstream infection Diseases 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 239000011852 carbon nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007833 carbon precursor Substances 0.000 description 1
- 229920006317 cationic polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000008045 co-localization Effects 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000001332 colony forming effect Effects 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 238000012864 cross contamination Methods 0.000 description 1
- 231100000433 cytotoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000001472 cytotoxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 239000000645 desinfectant Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 1
- LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I dipotassium trisodium dihydrogen phosphate hydrogen phosphate dichloride Chemical compound P(=O)(O)(O)[O-].[K+].P(=O)(O)([O-])[O-].[Na+].[Na+].[Cl-].[K+].[Cl-].[Na+] LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I 0.000 description 1
- BFMYDTVEBKDAKJ-UHFFFAOYSA-L disodium;(2',7'-dibromo-3',6'-dioxido-3-oxospiro[2-benzofuran-1,9'-xanthene]-4'-yl)mercury;hydrate Chemical compound O.[Na+].[Na+].O1C(=O)C2=CC=CC=C2C21C1=CC(Br)=C([O-])C([Hg])=C1OC1=C2C=C(Br)C([O-])=C1 BFMYDTVEBKDAKJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- WNAHIZMDSQCWRP-UHFFFAOYSA-N dodecane-1-thiol Chemical compound CCCCCCCCCCCCS WNAHIZMDSQCWRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012377 drug delivery Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010041 electrostatic spinning Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000005038 ethylene vinyl acetate Substances 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000009408 flooring Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229960002989 glutamic acid Drugs 0.000 description 1
- 150000004676 glycans Chemical class 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 125000003187 heptyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 239000008240 homogeneous mixture Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 230000008076 immune mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 1
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229920002529 medical grade silicone Polymers 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 1
- 239000008239 natural water Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000956 nontoxicity Toxicity 0.000 description 1
- 125000001400 nonyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 230000000474 nursing effect Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 244000052769 pathogen Species 0.000 description 1
- 239000002953 phosphate buffered saline Substances 0.000 description 1
- 230000001443 photoexcitation Effects 0.000 description 1
- 238000000103 photoluminescence spectrum Methods 0.000 description 1
- 229920001200 poly(ethylene-vinyl acetate) Polymers 0.000 description 1
- 229920001610 polycaprolactone Polymers 0.000 description 1
- 239000004632 polycaprolactone Substances 0.000 description 1
- 125000005575 polycyclic aromatic hydrocarbon group Chemical group 0.000 description 1
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001282 polysaccharide Polymers 0.000 description 1
- 239000005017 polysaccharide Substances 0.000 description 1
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000035755 proliferation Effects 0.000 description 1
- XJMOSONTPMZWPB-UHFFFAOYSA-M propidium iodide Chemical compound [I-].[I-].C12=CC(N)=CC=C2C2=CC=C(N)C=C2[N+](CCC[N+](C)(CC)CC)=C1C1=CC=CC=C1 XJMOSONTPMZWPB-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000005180 public health Effects 0.000 description 1
- YBBJKCMMCRQZMA-UHFFFAOYSA-N pyrithione Chemical compound ON1C=CC=CC1=S YBBJKCMMCRQZMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000013074 reference sample Substances 0.000 description 1
- 230000002940 repellent Effects 0.000 description 1
- 239000005871 repellent Substances 0.000 description 1
- 230000001846 repelling effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 description 1
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 1
- 210000004989 spleen cell Anatomy 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 210000004243 sweat Anatomy 0.000 description 1
- 208000011580 syndromic disease Diseases 0.000 description 1
- 125000003698 tetramethyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 description 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- 210000004881 tumor cell Anatomy 0.000 description 1
- 125000002948 undecyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 208000019206 urinary tract infection Diseases 0.000 description 1
- 210000002700 urine Anatomy 0.000 description 1
- 239000012855 volatile organic compound Substances 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/005—Reinforced macromolecular compounds with nanosized materials, e.g. nanoparticles, nanofibres, nanotubes, nanowires, nanorods or nanolayered materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
- C08J3/28—Treatment by wave energy or particle radiation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K9/00—Use of pretreated ingredients
- C08K9/08—Ingredients agglomerated by treatment with a binding agent
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L53/00—Compositions of block copolymers containing at least one sequence of a polymer obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds; Compositions of derivatives of such polymers
- C08L53/02—Compositions of block copolymers containing at least one sequence of a polymer obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds; Compositions of derivatives of such polymers of vinyl-aromatic monomers and conjugated dienes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L71/00—Compositions of polyethers obtained by reactions forming an ether link in the main chain; Compositions of derivatives of such polymers
- C08L71/02—Polyalkylene oxides
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K2201/00—Specific properties of additives
- C08K2201/011—Nanostructured additives
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
- C08K3/02—Elements
- C08K3/04—Carbon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L2201/00—Properties
- C08L2201/10—Transparent films; Clear coatings; Transparent materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L2203/00—Applications
- C08L2203/02—Applications for biomedical use
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Medicinal Preparation (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Abstract
Spôsob výroby nanokompozitného materiálu s antibakteriálnymi vlastnosťami zahŕňa zmiešanie polyméru a plniva, pričom množstvo plniva v zmesi je max. 10 % hmotnostných, štrukturálne bloky polyméru sú tvorené polyamidovými, akrylátovými, butadiénovými, dialkylftalátovými, dimetylsiloxánovými, izoprénovými, izobutylénovými, styrénovými štruktúrnymi jednotkami, a plnivom sú hydrofóbne uhlíkové kvantové bodky hCQD, ktoré sú vyrobené metódou „zdola nahor” kondenzačnou reakciou polyoxyetylén-polyoxypropylén-polyoxyetylénu. Nanokompozitný materiál je prispôsobený na vyvolanie oxidačného stresu a obmedzenie životaschopnosti baktérií, pričom kontrolovaná antibakteriálna aktivita materiálu je aktivovaná po jeho iluminácii modrým svetlom vo viditeľnom rozsahu s vlnovou dĺžkou 420 – 470 nm.
Description
Navrhované riešenie sa týka hybridného nanomateriálu s antibakteriálnymi vlastnosťami, spôsobu jeho výroby a jeho použitia v antibakteriálnych aplikáciách.
Doterajší stav techniky
Odhaduje sa, že väčšina bakteriálnych infekcií u človeka je v korelácii s biofilmom a asi 50 % z infekcií súvisiacich so zdravotnou starostlivosťou súvisí so zdravotníckymi pomôckami zavedenými do tela. Baktérie tvoriace biofilm, ktoré spôsobujú chronické infekcie, predstavujú veľký problém v oblasti ochrany verejného zdravia.
Biofilm je definovaný ako štruktúrované spoločenstvo súvisiace so živým alebo inertným abiotickým povrchom vytvoreným mikrobiálnymi bunkami vloženými do samovyprodukovanej polymémej matrice prevažne polysacharidového materiálu. Mikrobiálne biofilmy sú v prírode všadeprítomné a môžu sa tvoriť na širokej škále povrchov vrátane živých tkanív, zdravotníckych pomôcok zavedených do tela, potrubí vodovodných systémov alebo prírodných vodných systémov.
Význam biofilmu je dobre známy v lekárskom a priemyselnom kontexte, ako aj v kontexte životného prostredia. Tieto mikrobiálne agregáty predstavujú potenciálne rezervoáre pre patogény, ktoré slúžia ako nepretržitý zdroj infekcií a krížových kontaminácií. V odvetviach priemyslu, kde predstavujú baktérie vážne riziko (napríklad potravinársky priemysel), sa používajú materiály, ako napr. plasty, gumy, sklo, cement a nehrdzavejúca oceľ. Stupeň tvorby biofilmu na rôznych materiáloch vytvorený baktériou Legionella pneumophila bol skúmaný Rogersom v (Rogers, J., Dowsett, A. B., Dennis, P. J., Lee, J. V. and Keevil, C. W. (1994). Influence of temperature and plumbing matéria! selection on biofilm formation and growth of Legionella pneumophila in a model portable water systém containing complex microbial flóra. Appl Environ Microbiol 60, 1585 - 1592) a Meyerom v (Meyer, B. (2001) Approaches to prevention, removal and killing of biofilms. In 2nd International Symposium on Disinfection and Hygiene: Future Prospects. pp. 249 - 253. Wageningen, the Netherlands: Elsevier Sci Ltd.) a bolo zistené, že schopnosť podporovať tvorbu biofilmu narastá v smere nasledujúceho radu materiálov: sklo, nehrdzavejúca oceľ, polypropylén, chlórovaný PVC, nemäkčený PVC, mäkká oceľ, polyetylén, etylén-propylén a latex. Mnohé priemyselné odvetvia potrebujú antibakteriálnu úpravu plastových a latexových povrchov, nakoľko tieto podpomjú bakteriálnu proliferáciu.
Drvivá väčšina zdravotníckych pomôcok môže mať za následok biofilmové infekcie, z ktorých najdôležitejšie sú infekcie krvného riečiska súvisiace s použitím venóznych katétrov, infekcie močových ciest súvisiace s použitím katétrov a pneumónia súvisiaca s použitím jednotiek umelého dýchania. Okrem toho, organizmy súvisiace s biofilmom sú zásadne odlišné od populácií suspendovaných (planktonických) buniek. Baktérie v biofilme vykazujú významne zníženú citlivosť na antibiotiká, dezinfekčné prostriedky, ako aj na prirodzené a adaptívne imunitné mechanizmy hostiteľa. To znamená, že infekciu spôsobenú bakteriálnym biofilmom je veľmi ťažké vyliečiť.
Striebro bolo používané po stáročia ako biocídny prípravok. Pri kontakte s vlhkosťou dochádza k elektrochemickej reakcii uvoľňujúcej ióny striebra. Tieto ióny prenikajú do mikróbov, ktoré následne nie sú schopné byť činné, rásť alebo reprodukovať sa. Biocídy na báze striebra našli uplatnenie v materiáloch, ako polyvinylchlorid (PVC), polyuretán (PU), polyetylén (PE), kompozity drevo/plast a taktiež vo farbách a náteroch na báze vody s nízkym obsahom prchavých organických látok na účely zabránenia rastu mikróbov. Očakáva sa, že nárast prípadov infekcií vrátane meticilín-rezistentného Staphylococcus aureus (MRSA), znepokojenie nad podmienkami, ako je syndróm chorých budov, a vysoký dopyt po výrobkoch odolným proti mikróbom povedú k zvýšeniu dopytu po biocídoch na báze striebra v plastoch.
Sektory s najväčším dopytom po biocídoch na báze striebra sú závody na spracovanie potravín, závody na výrobu liečiv a zdravotnícke zariadenia, ako napr. nemocnice a opatrovateľské domovy, ktoré ponúkajú ideálne prostredie pre mikróby.
Použitie nanočastíc striebra však so sebou prináša niekoľko nevýhod:
L nanočastice striebra vykazujú nekontrolovateľnú antibakteriálnu aktivitu počas celého času použitia, 2. nanočastice striebra sú náchylné na oxidáciu, takže po určitom čase nevykazujú antibakteriálne účinky, 3. nanočastice striebra sú rozpustné vo vode; akékoľvek vystavenie povrchu nanokompozitu obsahujúceho nanočastice striebra vode alebo biologickým tekutinám (moč, krv, pot) má za následok jeho degradáciu, 4. striebro je finančne nákladný materiál.
Ďalšie riešenie problémov súvisiacich s infekciami spôsobenými bakteriálnym biofilmom predstavujú antimikrobiálne povrchy, ktoré sú navrhnuté tak, aby buď pri vzájomnom kontakte mikróby odpudzovali („odpudzujúce povrchy“), alebo ich usmrtili („usmrcujúce povrchy”). Na „odpudzujúce povrchy“ sa baktérie iba veľmi ťažko naviažu. Všeobecne sa tieto povrchy pripravujú modifikáciou povrchu - buď neutrálnymi polymérmi, ako je polyetylénglykol, čo zabraňuje adhézii baktérií sférickou zábranou, alebo nabitými aniónovými polymérmi, ktoré odpudzujú záporne nabité bunkové membrány. „Usmrcujúce povrchy” by zase mohli byť vytvorené modifikáciou povrchu katiónovými polymérmi, ktoré silne interagujú s bunkovou membránou a spôsobujú jej narušenie.
Ďalší spôsob, ako vyrobiť „usmrcujúci povrch”, je zabudovať do polymémeho substrátu fotoaktívne látky. Fotoaktívne látky ničia baktérie buď zvýšením povrchovej teploty nad 42 °C, alebo povrchovou emisiou reaktívnych foriem kyslíka. Týmto spôsobom pripravil Noimark (Noimark S, Allan E, Parkin IP. Lightactivated antimicrobial surfaces with enhanced efificacy induced by a dark-activated mechanism, Chem. Sci. 2014; 5: 2216 - 2223) prvý svetlom aktivovaný antimikrobiálny povrch s účinnosťou, ktorá prevyšuje účinnosť ostatných biocídnych polymérov. Tieto baktericídne povrchy boli pripravené začlenením kryštálovej violete, metylénovej modrej a nanočastíc zlata (veľkosti 2 nm) do lekárskeho silikónu pomocou metódy jednoduchého ponárania. Toto riešenie je však založené na dvoch materiáloch (kryštálová violeť, metylénová modrá), ktoré sú náchylné proti fotoblednutiu, čo znamená, že po krátkodobom ožiarení menia svoju chemickú štruktúru. V dôsledku toho strácajú tieto materiály svoje antibakteriálne vlastnosti.
Veľké množstvo anorganických nanočastíc predovšetkým na báze striebra, titánu alebo zinku a organických zlúčenín, ako je N-butyl-l,2-benzizotiazolín-3-ón, zinok 2-pyridín-tiol-l-oxid a podobne, bolo použitých ako biocídy, zapuzdrené v rôznych polymémych systémoch (polykaprolaktón/etylén-vinylacetátový kopolymér, butylbenzylftalát, diizodecylftalát, di(heptyl, nonyl, undecyl) ftalát). Striebro a titán sú však pomerne drahé materiály. Antibakteriálne zlúčeniny na báze zinku sú zase rozpustné vo vode a náchylné k degradácii.
Nedávno bola syntetizovaná trieda uhlíkových nanočastíc, výrazne lepšia v zmysle chemickej inertnosti a biokompatibility ako konvenčné polovodičové kvantové bodky, a táto trieda bola označená ako uhlíkové kvantové bodky (Carbon Quantum Dots, CQD). Ich priaznivé vlastnosti zahŕňajú luminiscenciu závislú od veľkosti a vlnovej dĺžky, odolnosť proti fotoblednutiu, jednoduchosť výroby a biokonjugácie. Rovnako ako ich príbuzný fullerén, sú CQD účinným zdrojom singletového kyslíka. Singletový kyslík je toxická forma kyslíka produkovaná CQD po ich ožiarení bežnou LED diódou s vlnovou dĺžkou svetla medzi 420 až 470 nm. Singletový' kyslík je vysokoúčinná molekula, ktorá narúša bakteriálne membrány vo veľmi krátkom čase. Z týchto dôvodov sú CQD v súčasnej dobe stredobodom výskumu rôznych skupín s cieľom vyvinúť biocídy s nízkou toxicitou, ktoré sú šetrné k životnému prostrediu.
Uhlíkové kvantové bodky (CQD) sú najnovší OD fluorescenčný nanomateriál na báze uhlíka s priemerom menším ako 100 nm. V týchto nanomateriáloch sú atómy uhlíka sp2-hybridizované, čo znamená, že ich vnútorné jadro je charakterizované π-konjugovaným systémom. Ich najdôležitejšou vlastnosťou je ich polovodičový charakter s nastaviteľnou energiou zakázaného pásma, zvyčajne menšou ako 1,5 eV. Navyše majú veľmi silnú fotoluminisenciu vo viditeľnej oblasti spektra a vysokú odolnosť proti fotoblednutiu.
Syntéza CQD môže byť dosiahnutá v dvoch zásadne odlišných prístupoch: „bottom-up” kondenzačné reakcie a „top-down” rezanie materiálov na báze grafénu. Pokiaľ ide o „bottom-up” prístup, CQD sú syntetizované z malých uhlíkových prekurzorov, ako je kyselina citrónová, kyselina L-glutámová, adenozíntrifosfát alebo polycyklické aromatické uhľovodíky. „Top-down” syntéza je založená na oxidačnom rezaní grafénových materiálov: hydrotermálne alebo elektrochemické rezanie grafénu, uhlíkových nanorúrok a fullerénov. Zvláštna podskupina uhlíkových kvantových bodiek je pripravovaná elektrochemickým rezaním grafénu. Tento druh bodiek sa nazýva grafénové kvantové bodky (Graphene Quantum Dots, GQD). Štruktúra GQD je viac usporiadaná v porovnaní so štruktúrou CQD, čo má za následok ich mierne odlišné vlastnosti.
Jednou z hlavných charakteristík CQD je vysoká rozpustnosť vo vode, čo spolu s nízkou toxicitou a biologickou kompatibilitou z nich robí atraktívny materiál pre biologické aplikácie: súčasne sa používajú v in vitro a in vivo zobrazovaní buniek, v cielenom zavádzam liekov a fotodynamickej terapii.
Fotodynamická terapia (Photodynamic therapy, PDT) je neinvazívna liečba na selektívnu deštrukciu nádorových buniek a antimikrobiálnu terapiu. Tento prístup vyžaduje kolokalizáciu molekúl kyslíka, svetla a látky citlivej na svetlo, ktorá bude konvertovať kyslík na reaktívny singletový kyslík a spôsobovať fotocyto toxicitu.
Nedávna štúdia ukázala, že po ožiarení modiým svetlom genemje roztok GQD na vodnej báze reaktívny kyslík a ničí ľudské gliomické bunky alebo baktérie (1. Z. Markovic, B. Ristic, K. Arsikin, D. Klisic, Lj. Harhaji-Trajkovic, B. Todorovic-Markovic, D. Kepic, T. Kravic-Števo vie, S. Jovanovic, M. Milenkovic, D. Milivojevic, V. Bumbasirevic, M. Dramicanin, V. Trajkovic, Graphene quantum dots as autophagy-inducing photodynamic agents, Biomaterials, 2012; v33; pp 7084 - 7092; 2. B. Z. Ristic, M. M. Milenkovic, I. R. Dakic, B. M. Todorovic-Markovic, M. S. Milosavljevic, M. D. Budimir, V. G. Paunovic, M. D. Dramicanin, Z. M. Markovic, V. S. Trajkovic, Photodynamic antibacterial effect of graphene quantum dots, Biomaterials, 2014; v35; pp 4428 - 4435).
V štúdii publikovanej v roku 2014 sa uvádza, že elektrochemický pripravené grafénové kvantové bodky (GQD) generujú pri fotoexcitácii (470 nm, 1 W) reaktívne formy kyslíka a ničia dva kmene patogénnych baktérií, konkrétne meticilín-rezistentný Staphylococcus aureus a Escherichia coli. Hubenie baktérií bolo preukázané znížením počtu bakteriálnych kolónií stanoveným štandardným spočítaním na platniach, zvýše ním absorpcie propidium jodidu potvrdzujúcim poškodenie bunkovej membrány, ako aj morfologickými defektmi vizualizovanými atómovou silovou mikroskopiou. Vyvolanie oxidačného stresu pri baktériách vystavených fotoexcitovaným GQD bolo potvrdené farbením redox-senzitívnym fluorochrómom dihydrorodaminom 123. Ani GQD, ani ožiarenie neboli samotne schopné spôsobiť oxidačný stres a znížiť životaschopnosť baktérií. Dôležité je tiež, že slezinové myšie bunky boli výrazne menej citlivé za rovnakých experimentálnych podmienok, čo poukazuje na značné selektívne antibakteriálne fotodynamické pôsobenie GQD.
Štúdie publikované v Biomaterials sú založené na grafénových kvantových bodkách rozpustných vo vode. Takýto materiál však nie je vhodný na výrobu zlúčenín s polymérmi rozpustnými v organických rozpúšťadlách nemiešateľných s vodou.
Hlavný nevyriešený problém dostupných metód využívaných v antibakteriálnej liečbe predstavuje používanie finančne nákladných plnív, ktoré sú navyše cytotoxické. Ďalej je tu taktiež potreba materiálov, ktoré budú mať kontrolovateľnú antibakteriálnu aktivitu, aby sa zabránilo vzniku rezistencie baktérií, ako aj materiálov, ktoré budú schopné zabezpečiť ochranu proti superbaktériám.
Podstata vynálezu
Na účely prípravy polymémeho nanokompozitu obsahujúceho CQD sa vyriešilo niekoľko problémov, ako je napríklad rozpustnosť v organických rozpúšťadlách. Polyméry používané na väčšinu biomedicínskych, potravinárskych a farmaceutických aplikácií nie sú rozpustné vo vode. Zvyčajne sú rozpustné iba v obmedzenej skupine organických rozpúšťadiel, ako je chloroform alebo toluén. Na účely prekonania tohto problému sa vyvinula nová metóda výroby hydrofóbnych CQD (hCQD) rozpustných v chloroforme a toluéne.
Veľkosť hCQD je v intervale 5 až 15 nm. hCQD je fotoluminiscenčný materiál, t. j. pri ožiarení určitým excitačným zdrojom emituje svetlo zvyčajne vo viditeľnej oblasti spektra (obr. 3). Táto vlastnosť umožňuje jednoduchú identifikáciu ich prítomnosti v polymémom kompozite, a to buď v hornej vrstve kompozitu (film), alebo vnútri kompozitu.
Pomocou elektrónovej paramagnetickej rezonancie (EPR) sa dokázalo, že hCQD produkujú molekuly singletového kyslíka (obr. 4). hCQD vykazovali stabilnú produkciu singletového kyslíka pri ich ožiarení modrou lampou. Po 7 minútach bola spinová pasca vyčerpaná a EPR záznam ukazoval pokles produkcie singletového kyslíka. Po pridaní nového množstva čerstvej spinovej pasce ukazoval EPR záznam identickú produkciu singletového kyslíka.
Nanokompozit na báze styrén-izoprén-styrénového triblokového kopolyméru (Kraton) a hydrofóbnych CQD môže byť vyrobený ktoiýmkoľvek z nasledujúcich spôsobov: metóda „vrstva za vrstvou” („layer by layer” (LbL)), metóda „prípravy z roztoku” a metóda elektrospiningu (elektrostatického zvlákňovania):
1. Metóda „vrstva za vrstvou” je založená na depozícii vrstvy hCQD metódou „nanášania kvapiek” a následnou depozíciou vrstvy styrén-izoprén-styrénového triblokového kopolyméru (Kratonu) na jej vrchu. Alternatívnou metódou je Langmuir-Blodgettovej depozícia hCQD v hornej časti filmu polyméru. Metódou „vrstva za vrstvou” bola vyrobená veľmi homogénna vrstva hCQD.
Priemerná hrúbka jednovrstvového hCQD filmu bola 3,6 nm.
2. Metóda „prípravy z roztokov” je založená na zmiešam roztokov polyméru a hCQD v toluéne. Následným odparením rozpúšťadla v PTFE (polytetrafluóretylén - teflon) forme bol pripravený kompozit s milimetrovou hrúbkou. hCQD agregovali vnútri polyméru.
3. Elektrostatické zvlákňovanie je metóda výroby vlákien, ktorá využíva elektrické pole na produkciu vlákien s priemerom rádovo niekoľko desiatok nanometrov. Vlákna pripravené týmto spôsobom mali priemer približne 200 nm až 1 pm.
Spôsob výroby nanokompozitného materiálu s antibakteriálnymi vlastnosťami zahŕňa zmiešame polyméru a plniva, pričom množstvo plniva v zmesi je maximálne 10 % hmotn., štrukturálne bloky polyméru sú tvorené polyamidovými, akrylátovými, butadiénovými, dialkylftalátovými, dimetylsiloxánovými, izoprénovými, izobutylénovými, styrénovými štruktúrnymi jednotkami, a plnivom sú hydrofóbne uhlíkové kvantové bodky (hCQD) pripravené „bottom-up” kondenzačnou reakciou polyoxyetylén-polyoxypropylén-polyoxyetylénu, ktorá zahŕňa:
- rozpustenie polyoxyetylén-polyoxypropylén-polyoxyetylénu vo vode v množstve 2 až 10 % hmotn.,
- zmiešame získaného roztoku s koncentrovanou kyselinou fosforečnou, ktorej množstvo je dvojnásobné než množstvo vody použitej na rozpustenie polyoxyetylén-polyoxypropylén-polyoxyetylénu,
- zahriatie zmesi na 240 - 260 °C počas 90 - 240 minút - ochladenie zmesi na izbovú teplotu,
- zmiešame zmesi s toluénom alebo iným organickým s vodou nemiešateľným rozpúšťadlom, ktorého množstvo je trojnásobné než množstvo vody použitej na rozpustenie polyoxyetylén-polyoxypropylén-polyoxyetylénu,
- dekantáciu vody a
- filtráciu hCQD rozpustených v toluéne alebo chloroforme.
Uhlíkové kvantové bodky (hCQD) môžu byť buď nanesené ako vrstva na povrchu polyméru, alebo zabudované do polymém. Homogénna zmes hCQD a polyméru sa rozpustí v toluéne alebo v inom organickom s vodou nemiešateľnom rozpúšťadle.
Hybridný nanokompozitný materiál môže byť vyrobený metódou „vrstva za vrstvou”, metódou „prípravy z roztoku”, elektrostatickým zvlákňovaním alebo „miešaním v tavenine”.
Hybridný nanokompozitný materiál vykazuje antibakteriálnu aktivitu po ožiarení modiým svetlom vo viditeľnej oblasti s vlnovou dĺžkou 420 - 470 nm.
Hrúbka vrstvy uhlíkových kvantových bodiek j e 3-100 nm.
Hybridný nanokompozitný materiál môže byť vyrobený ako transparentný materiál.
Hybridný nanokompozitný materiál môže byť použitý na vyvoláme oxidačného stresu a obmedzenie životaschopnosti baktérií, pričom kontrolovateľná antibakteriálna aktivita materiálu je aktivovaná po jeho ožiarení modrým svetlom vo viditeľnej oblasti s vlnovou dĺžkou 420 - 470 nm. Hybridný nanokompozitný materiál s antibakteriálnymi vlastnosťami môže byť použitý v medicínskych aplikáciách a v aplikáciách pre potravinársky a farmaceutický priemysel.
Spôsob výroby pozostáva vo všeobecnosti z dvoch fáz:
1. výroba hydrofóbnych uhlíkových kvantových bodiek rozpustných v chloroforme alebo toluéne. hCQD sú vyrobené pyrolýzou kopolyméru polyoxyetylén-polyoxypropylén-polyoxyetylén rozpusteného v kyseline fosforečnej. Po ochladení produktu sú hCQD prenesené z vodnej do organickej fázy,
2. výroba polymérového kompozitu obsahujúceho hCQD.
Ďalší spôsob výroby kompozitu obsahujúceho hCQD:
hCQD sú zmiešané s polymérom metódou „miešaním v tavenine”. Na prípravu kompozitných materiálov sa zmieša zmes polyméru a vhodného množstva hCQD v extrudéri pri teplote nad teplotou tavenia príslušného polyméru a pri lýchlosti miešania aspoň 30 ot./ min počas 10 minút. Extrudované vlákna sú lisované do tvaru pásov s použitím hydraulického lisu (Fontijne SRA-100) pri rovnakej teplote, aká bola použitá pri miešam horúcich tavenín, pri tlaku 10 barov, počas 3 minút.
Boli vyrobené tri rôzne typy kompozitov:
1. film hCQD na fólii polyméru,
2. hrubá fólia polyméru obsahujúca hCQD a
3. nanovlákna polyméru obsahujúce hCQD.
Bolo preukázané, že nanokompozit styrén-izoprén-styrénový triblokový kopolymér (Kraton) /hCQD vyrobený metódou „vrstva za vrstvou” produkuje viac molekúl singletového kyslíka než kompozity vyrobené inými metódami (obr. 5).
Fotodynamické antibakteriálne testy preukázali, že nanokompozit styrén-izoprén-styrénový triblokový kopolymér (Kraton)/hCQD pripravený metódou „vrstva za vrstvou” je veľmi účinný antibakteriálny materiál.
Výhody použitia uhlíkových kvantových bodiek ako antibakteriálneho činidla sú:
1. Toxicita je spustená pôsobením modrého svetla s vlnovou dĺžkou 420 - 470 nm. Bez prítomnosti tohto žiarenia nevykazujú hCQD žiadnu toxicitu proti baktériám.
2. hCQD sú rozpustné v organických rozpúšťadlách bežne používaných na rozpúšťame polymérov.
3. hCQD sú nerozpustné vo vode. Biologické tekutiny nemôžu rozpustiť hCQD a degradovať antibakteriálny účinok kompozitu.
4. hCQD sú stabilný materiál z dlhodobého časového hľadiska. Nevytvárajú ľahko chemické zlúčeniny s atmosférickými plynmi alebo molekulami prítomnými v biologických tekutinách.
5. hCQD je lacnejší materiál ako nanočastice striebra alebo titánu.
Novosť tohto prístupu je založená na kontrolovateľnom antibakteriálnom pôsobení kompozitu a na nedegradovateľných vlastnostiach kompozitu. Tento kompozit môže byť napríklad úspešne použitý na podlahy a stenové krytiny v nemocniciach, pričom jeho antibakteriálny účinok je riadený počtom zapnutých modrých LED diód v osvetlení na stropoch, napr. iba počas pracovného času.
Prehľad obrázkov na výkresoch
Obr. 1 Charakterizácia GQD: (A) Distribúcia veľkosti nanočastíc GQD vypočítaná AFM softvérom; (B) Fotoluminiscenčné spektrá GQD vystavených rôznym excitačným vlnovým dĺžkam.
Obr. 2 Fotoexcitované GQD redukujúce počet bakteriálnych kolónií: (A) E. coli a (B) S. aureus suspenzie boli inkubované s fosfátovým tlmivým fýziologickým roztokom (kontrola) alebo vystavené súčasnému pôsobeniu GQD (200 mg/ml) a modrého svetla (470 nm, 1 W) počas 15 minút. Počet jednotiek tvoriacich kolóniu bol stanovený štandardným spočítaním na platniach.
Obr. 3 Fotoluminiscencia hCQD rozpustených v chloroforme pri rôznych excitačných vlnových dĺžkach v rozmedzí od 320 nm (UV žiarenie) do 480 nm (tmavé modré svetlo).
Obr. 4 Dlhodobá produkcia singletového kyslíka hydrofóbnymi uhlíkovými kvantovými bodkami v chloroforme, po ich ožiarení, meraná pomocou elektrónovej paramagnetickej rezonancie (EPR).
Obr. 5 Produkcia singletového kyslíka meraná pomocou EPR spektroskopie. Signál zo styrén-izoprén-styrénového triblokového kopolyméru (Kraton)/hGQD filmu (pripraveného metódou „vrstva za vrstvou”) má 2,5-krát väčšiu intenzitu ako referenčná vzorka spinovej pasce.
Príklady uskutočnenia vynálezu
Spôsob výroby nanokompozitného materiálu s antibakteriálnymi vlastnosťami zahŕňa zmiešame polyméru a plniva, pričom množstvo plniva v zmesi je maximálne 10 % hmotn., štrukturálne bloky polyméru sú tvorené polyamidovými, akrylátovými, butadiénovými, dialkylftalátovými, dimetylsiloxánovými, izoprénovými, izobutylénovými, styrénovými štruktúrnymi jednotkami a plnivom sú hydrofóbne uhlíkové kvantové bodky (hCQD) pripravené „bottom-up” („zdola nahor”) kondenzačnou reakciou polyoxyetylén-polyoxypropylén-polyoxyetylénu, ktorá zahŕňa:
- rozpustenie polyoxyetylén-polyoxypropylén-polyoxyetylénu vo vode v množstve 2 až 10 % hmotn., - zmiešame získaného roztoku s koncentrovanou kyselinou fosforečnou, ktorej množstvo je dvojnásobné než množstvo vody použitej na rozpustenie polyoxyetylén-polyoxypropylén-polyoxyetylénu. Koncentrovaná kyselina fosforečná je 85 % vodný roztok kyseliny fosforečnej,
- zahriatie zmesi na 240 - 260 °C počas 90 - 240 minút,
- ochladenie zmesi na izbovú teplotu,
- zmiešame zmesi s toluénom alebo chloroformom, ktorého množstvo je trojnásobné než množstvo vody použitej na rozpustenie polyoxyetylén-polyoxypropylén-polyoxyetylénu,
- dekantáciu vody a
- filtráciu hCQD rozpustených v toluéne alebo chloroforme použitím PTFE filtra s veľkosťou pórov 200 nm.
Bola preukázaná možnosť výroby nanokompozitu na báze styrén-izoprén-styrénového triblokového kopolyméru (Kraton) a hydrofóbnych CQD metódou „vrstva za vrstvou” („layer by layer” (LbL)), metódou „prípravy z roztoku” a metódou elektrospiningu (elektrostatického zvlákňovania).
Metóda „vrstva za vrstvou” je založená na nanesení vrstvy hCQD metódou „nanášania kvapiek” a následným nanesením vrstvy styrén-izoprén-styrénového triblokového kopolyméru (Kratonu) na jej vrchu. Alternatívnou metódou je Langmuir-Blodgettovej depozícia. Vrstva hCQD pripravená touto metódou bola veľmi homogénna.
Metóda „prípravy z roztoku” je založená na miešam roztokov polyméru a hCQD v toluéne. Následným odparením rozpúšťadla v PTFE (polytetrafluóretylén - teflon) forme bol pripravený kompozit s milimetrovou hrúbkou. hCQD neboli homogénne distribuované v kompozite.
Elektrostatické zvlákňovanie je metóda výroby vlákien, ktorá využíva elektrické pole na produkciu vlákien s priemerom rádovo niekoľko desiatok nanometrov. Vlákna pripravené týmto spôsobom mali priemer približne 200 nm až 1 pm.
Nanokompozit styrén-izoprén-styrénový triblokový kopolymér (Kraton)/hCQD vyrobený metódou „vrstva za vrstvou” produkuje viac molekúl singletového kyslíka než kompozity vyrobené inými metódami.
Fotodynamické antibakteriálne testy preukázali, že nanokompozit styrén-izoprén-styrénový triblokový kopolymér (Kraton)/hCQD pripravený metódou „vrstva za vrstvou” je veľmi účinný antibakteriálny materiál.
Nanokompozit styrén-izoprén-styrénový triblokový kopolymér (Kraton)/hCQD rieši nasledujúce problémy:
1. Antibakteriálny účinok nanokompozitu je spustený pôsobením modrého svetla s vlnovou dĺžkou 420 až
470 nm. Bez prítomnosti tohto žiarenia sa kompozit nevyznačuje žiadnou toxicitou proti baktériám.
2. CQD nepodliehajú oxidácii alebo degradácii. Ide o stabilný materiál počas dlhého časového obdobia.
3. hCQD podľa predmetného riešenia sú rozpustné v organických rozpúšťadlách kompatibilných s bežnými polymérmi, so schopnosťou produkovať reaktívne formy kyslíka. hCQD podľa predmetného riešenia sú nerozpustné vo vode alebo biologických tekutinách.
Príklad 1
Syntéza hCQD: 1 g polyoxyetylén-polyoxypropylén-polyoxyetylénu (Pluronic 68) bol rozpustený v 100 ml vody počas 15 minút. Potom bolo pridaných 200 ml kyseliny fosforečnej a zmes bola miešaná do vzniku homogénnej reakčnej zmesi. Reakčná zmes bola zahriata na magnetickom miešadle na 240 °C počas približne 240 minút. Počas tohto času bol získaný hnedo sfarbený produkt. Reakčná zmes bola vychladená na izbovú teplotu a následne bolo pridaných 250 ml vody, čím sa získal precipitát hnedastočiernej farby.
Na jeho vrch bolo naliatych 300 ml chloroformu. Vodná a organická fáza sa zmiešali na miešadle, pokiaľ chloroform nezískal žltú farbu. Organická fáza bola dekantovaná a filtrovaná.
Vrstvy nanočastíc boli nanesené pomocou upravenej Langmuir-Blodgettovej (LB) metódy s použitím počítačom riadenej Langmuir-Blodgettovej vaničky (Nima Technology). Pri tomto spôsobe je substrát - fólia styrén-izoprén-styrénového triblokového kopolyméru (Kraton) umiestnený vo vodorovnej polohe vnútri vaničky predtým, než sú častice distribuované do vodnej subfázy. Nanočastice hCQD rozpustené v chloroforme boli pomocou mikrostriekačky rozptýlené na rozhranie vzduch/voda LB vaničky. Po ustálení pri teplote 18 °C počas 30 minút z dôvodu odparenia chloroformu bola vrstva nanočastíc komprimovaná na fázu monovrstvy. Povrchové napätie zoskupení nanočastíc bolo sledované Wilhelmyho metódou. Usporiadaná monovrstva bola prenesená na substrát regulovaným odstránením subfázy pri povrchovom napätí 20 mN/m.
Multivrstvy nanočastíc boli pripravené použitím opísaného spôsobu, postupným pridávaním vrstvy po vrstve. Výsledná hrúbka filmu hCQD multivrstiev bola v rozsahu od 3 do 100 nm.
Veľkosť, tvar a lokálne usporiadame zoskupení boli študované pomocou transmisného elektrónového mikroskopu s vysokým rozlíšením (HR TEM) a atómovou silovou mikroskopiou (AFM Bruker Nanoskop). Emisné spektrá boh zaznamenané naRF-5301PC (Shimadzu, Japan) spektrofluorofotometri. Excitačná vlnová dĺžka bola nastavená v rozsahu od 320 do 480 nm. Fluorescencia roztokov bola meraná v 1 x 1 cm kremenných kyvetách v pravouhlovom usporiadam. V prípade vysokej koncentrácie vzorky je možné merať v trojhrannej kyvete na účely čiastočného potlačenia vlastnej absorpcie. Homogenita nanesených LB vrstiev cez veľké oblasti bola overená konfokálnou fluorescenčnou mikroskopiou (Witec) s použitím režimu skenovania.
EPR spektroskopia bola použitá na monitorovanie tvorby singletového kyslíka v organických roztokoch a na povrchoch. EPR experimenty boli vykonávané pri izbovej teplote použitím spektrometra Magnetech pracujúceho pri nominálnej frekvencii 9,5 GHz. Zmes obsahujúca 0,18 ml TMP (tetrametylpiperidín) a hCQD koloidy v chloroforme s koncentráciou 1 mg.ľ1 bola sonifikovaná, inkubovaná a ožiarená modiým svetlom s vlnovou dĺžkou 470 nm pri izbovej teplote počas 24 hodín. Alikvotné časti (30 μΐ) zmesí TMP-hCQD boli potom prenesené do 3 mm (vnútorný priemer) kremenných rúrok a signál TEMPOL bol analyzovaný pomocou EPR. Kvantifikácia signálov bola vykonaná výpočtom strednej hodnoty amplitúd EPR signálov a dáta boli vyjadrené v arbitrárnych jednotkách.
Podobný postup bol použitý na stanovenie tvorby singletového kyslíka na povrchu nanokompozitu.
Modifikovaná skúška mikrotitračnou doskou bola použitá na kvantifikáciu tvorby biofilmu zástupcom grampozitívnej (S. aurues) a gramnegatívnej baktérie (E. coli) v polymémych nanokompozitoch obsahujúcich hCQD po ich ožiarení. Táto technika zahŕňa fixovanie bakteriálneho filmu metanolom, farbenie kryštálovou violeťou, a potom, ako sa viazané farbivo uvoľní etanolom, merame optickej hustoty roztoku pomocou kolorimetrického snímača.
Príklad 2
Syntéza hCQD: 1 g polyoxyetylén-polyoxypropylén-polyoxyetylénu (Pluronic 68) bol rozpustený v 100 ml vody počas 15 minút. Potom bolo pridaných 200 ml kyseliny fosforečnej a zmes bola premiešaná do vzniku homogénnej reakčnej zmesi. Reakčná zmes bola zahriata na magnetickom miešadle na 250 °C počas približne 120 minút. Počas tohto času bol získaný hnedo sfarbený produkt. Reakčná zmes bola vychladená na izbovú teplotu a následne bolo pridaných 250 ml vody, čím sa získal precipitát hnedastočiernej farby. Prilialo sa 300 ml toluénu. Vodná a organická fáza sa zmiešali na miešadle, pokiaľ toluén nezískal žltú farbu. Organická fáza bola dekantovaná a filtrovaná.
Na prípravu kompozitných materiálov sa použilo 5 ml toluénového roztoku hCQD s koncentráciou 5 % hmotn. Následne sa intenzívne miešalo 5 ml 10 % roztoku styrén-izoprén-styrénového triblokového kopolyméru (Kratonu) v toluéne s 5 ml roztoku hCQD v toluéne počas asi 2 hodín. Zmes sa vyliala do formy s požadovaným tvarom a nechala sa stáť cez noc.
Veľkosť a tvar hCQD boli študované pomocou transmisného elektrónového mikroskopu (HR TEM) a atómovou silovou mikroskopiou (AFM Bruker Nanoskop). Emisné spektrá boli zaznamenané na RF-5301PC (Shimadzu, Japan) spektrofluorofotometri. Excitačná vlnová dĺžka bola nastavená v rozsahu od 320 do 480 nm. Fluorescencia roztokov bola meraná v 1 x 1 cm kremenných kyvetách v pravouhlovom usporiadam. V prípade vysokej koncentrácie vzorky je možné merať v trojhrannej kyvete na účely čiastočného potlačenia vlastnej absorpcie. Homogenita kompozitu cez veľké oblasti bola overená konfokálnou fluorescenčnou mikroskopiou (Witec) s použitím režimu skenovania.
Na monitorovanie tvorby singletového kyslíka v organických roztokoch a na povrchoch bola použitá EPR spektroskopia. EPR experimenty boli vykonávané pri izbovej teplote použitím spektrometra Magnetech pracujúceho pri nominálnej frekvencii 9,5 GHz. Zmes obsahujúca 0,18 ml TMP (tetrametylpiperidín) a hCQD koloidy v toluéne s koncentráciou 1 mg.l1 bola sonifikovaná, inkubovaná a ožiarená modiým svetlom s vlnovou dĺžkou 470 nm pri izbovej teplote počas 24 hodín. Alikvotné časti (30 μΐ) zmesí TMP-hCQD boli potom prenesené do 3 mm (vnútorný priemer) kremenných rúrok a signál TEMPOL bol analyzovaný pomocou
EPR. Kvantifikácia signálov bola vykonaná výpočtom strednej hodnoty amplitúd EPR signálov a dáta boli vyjadrené v arbitrárnych jednotkách.
Podobný postup bol použitý na stanovenie tvorby singletového kyslíka na povrchu nanokompozitu.
Príklad 3
Syntéza hCQD: 1 g polyoxyetylén-polyoxypropylén-polyoxyetylénu (Pluronic 68) bol rozpustený v 100 ml vody počas 15 minút. Potom bolo pridaných 200 ml kyseliny fosforečnej a zmes bola premiešaná do vzniku homogénnej reakčnej zmesi. Reakčná zmes bola zahriata na magnetickom miešadle na 260 °C počas približne 90 minút. Počas tohto času bol získaný hnedo sfarbený produkt. Reakčná zmes bola vychladená na izbovú teplotu a následne bolo pridaných 250 ml vody, čím sa získal precipitát hnedastočiemej farby. Prilialo sa 300 ml chloroformu. Vodná a organická fáza sa zmiešali na miešadle, pokiaľ chloroform nezískal žltú farbu. Organická fáza bola dekantovaná a filtrovaná.
Syntéza kompozitného materiálu transparentný polyamid/hCQD bola uskutočnená v 5 krokoch: (1) príprava polyamidových roztokov (n-propanol, 18 % hmotn. polyamidu); (2) zriedenie koloidného roztoku hCQD v chloroforme; (3) príprava prekurzorového zvlákňovacieho roztoku použitím 8 g roztoku polyamidu s koloidným roztokom obsahujúcim 5 % hmotn. hCQD; (5) výroba transparentných kompozitných polyamid/hCQD nanovlákien elektrostatickým zvlákňovaním pri izbovej teplote a 25 % relatívnej vlhkosti. Aplikované napätie bolo 9 kV a vzdialenosť medzi špičkou ihly a kolektorom bola 15 cm. Rýchlosť prietoku bola 1 ml/h. Pripravené kompozitné nanovlákna boli vysušené pri izbovej teplote vo vákuu.
Veľkosť a tvar hCQD boli študované pomocou transmisného elektrónového mikroskopu (HR TEM) a atómovou silovou mikroskopiou (AFM Bruker Nanoskop). Veľkosť a tvar kompozitných nanovlákien boli študované pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu (Dual Beam (FIB/SEM) Microscope Quanta 3D 200i (FEI)). Emisné spektrá boli zaznamenané na RF-5301 PC (Shimadzu, Japan) spektrofluorofotometri. Excitačná vlnová dĺžka bola nastavená v rozsahu od 320 do 480 nm. Fluorescencia roztokov bola meraná v 1 x 1 cm kremenných ky vetách v pravouhlovom usporiadam. V prípade vysokej koncentrácie vzorky je možné na účely čiastočného potlačenia vlastnej absorpcie merať aj v trojhrannej kyvete. Homogenita kompozitu cez veľké oblasti bola overená konfokálnou fluorescenčnou mikroskopiou (Witec) s použitím režimu skenovania.
EPR spektroskopia bola použitá na monitorovanie tvorby singletového kyslíka v organických roztokoch a na povrchoch. EPR experimenty boli vykonávané pri izbovej teplote použitím spektrometra Magnetech pracujúceho pri nominálnej frekvencii 9,5 GHz. Zmes obsahujúca 0,18 ml TMP (tetrametylpiperidín) a hCQD koloidyv chloroforme s koncentráciou 1 mg.11 bola sonifikovaná, inkubovaná a ožiarená modiým svetlom s vlnovou dĺžkou 470 nm pri izbovej teplote počas 24 hodín. Alikvotné časti (30 μΐ) zmesí TMP-hCQD boli potom prenesené do 3 mm (vnútorný priemer) kremenných rúrok a signál TEMPOL bol analyzovaný pomocou EPR. Kvantifikácia signálov bola vykonaná výpočtom strednej hodnoty amplitúd EPR signálov a dáta boli vyjadrené v arbitrárnych jednotkách.
Podobný postup bol použitý na stanovenie tvorby singletového kyslíka na povrchu nanokompozitu.
Príklad 4
Syntéza hCQD: 3 g granúl zmesi parafínu s polyizobutylénom (Paraplast) sa roztopia pri teplote 70 °C použitím varnej dosky s regulovateľnou teplotou. Táto tavenina sa rýchlo vstrekne do dusíkom prepláchnutého roztoku toluénu, a potom sa mierne mieša počas 3 hodín. Na zlepšenie pasivácie rovnako ako aj fluorescenčných vlastností hCQD sa na začiatku miešania do zmesi pridá 0,4 ml dodekántiolu. Roztok zmení farbu po ukončení reakcie na žltozelenú. Tento roztok sa ultrafiltruje použitím 0,2 pm filtra.
Na prípravu kompozitných materiálov sa v miešači horúcich tavenín (v 15 ml komore mikromiešača DSM Xplore alebo 30/50 ml komore mixéra alebo extrudéra Brabender GmbH & Co. KG) zmieša zmes styrén-izoprén-styrénového triblokového kopolyméru (Kraton) a hCQD v množstve 10 % hmotn. pri teplote nad teplotou topenia styrén-izoprén-styrénového triblokového kopolyméru (Kraton) pri lýchlosti miešania najmenej 30 ot./min počas 10 minút. Extrudované vlákna sú lisované do tvaru pásov s použitím hydraulického lisu (Fontijne SRA-100) pri rovnakej teplote, aká bola použitá pri miešam horúcich tavenín, pri tlaku 10 barov, počas 3 minút.
Veľkosť a tvar hCQD boli študované pomocou transmisného elektrónového mikroskopu (HR TEM) a atómovou silovou mikroskopiou (AFM Bruker Nanoskop). Emisné spektrá boli zaznamenané na RF-5301PC (Shimadzu, Japan) spektrofluorofotometri. Excitačná vlnová dĺžka bola nastavená v rozsahu od 320 do 480 nm. Fluorescencia roztokov bola meraná v 1 x 1 cm kremenných kyvetách v pravouhlovom usporiadaní. V prípade vysokej koncentrácie vzorky je možné na účely čiastočného potlačenia vlastnej absorpcie merať aj v trojhrannej kyvete. Homogenita kompozitu cez veľké oblasti bola overená konfokálnou fluorescenčnou mikroskopiou (Witec) s použitím režimu skenovania.
Na monitorovanie tvorby singletového kyslíka v organických roztokoch a na povrchoch bola použitá EPR spektroskopia. EPR experimenty boli vykonávané pri izbovej teplote použitím spektrometra Magnetech pracujúceho pri nominálnej frekvencii 9,5 GHz. Zmes obsahujúca 0,18 ml TMP (tetrametylpiperidín) a hCQD koloidy v toluéne s koncentráciou 1 mg.l1 bola sonifikovaná, inkubovaná a ožiarená modiým svetlom s vlnovou dĺžkou 470 nm pri izbovej teplote počas 24 hodín. Alikvotné časti (30 μΐ) zmesí TMP-hCQD boli potom prenesené do 3 mm (vnútorný priemer) kremenných rúrok a signál TEMPOL bol analyzovaný pomocou EPR. Kvantifikácia signálov bola vykonaná výpočtom strednej hodnoty amplitúd EPR signálov a dáta boli 5 vyjadrené v arbitrárnych jednotkách.
Podobný postup bol použitý na stanovenie tvorby singletového kyslíka na povrchu nanokompozitu pripraveného „miešaním v tavenine”.
Priemyselná využiteľnosť
Hybridný nanomateriál s antibakteriálnymi vlastnosťami možno použiť na podlahový materiál, krytbu, pokryté výrobky, stenové krytiny, okenné krytiny, flexibilné fólie na obaly potravín, fólie na antibakteriálne katétre, vlákna na antibakteriálne stehy na povrchu tela a ďalšie aplikácie, kde je potrebný antibakteriálny 15 účinok, najmä v lekárskych aplikáciách a v priemyselných odvetviach, ako je výroba potravín a farmaceutická výroba.
Claims (11)
1. Spôsob výroby nanokompozitného materiálu s antibakteriálnymi vlastnosťami s použitím plniva vo forme uhlíkových kvantových bodiek CQD, vyznačujúci sa tým, že zahŕňa zmiešanie polyméru a plniva, pričom množstvo plniva v zmesi je max. 10 % hmotnostných, štrukturálne bloky polyméru sú tvorené polyamidovvmi. akrylátovými, butadiénovými, dialkylftalátovými, dimetylsiloxánovými, izoprénovými, izobutylénovými, styrénovými štruktúrnymi jednotkami, a plnivom sú hydrofóbne uhlíkové kvantové bodky hCQD, ktoré sú vyrobené metódou „zdola nahor“ kondenzačnou reakciou polyoxyetylén-polyoxypropylén-polyoxyetylénu, ktorá zahŕňa: rozpustenie 2 - 10 % hmotnostných polyoxyetylén-polyoxypropylén-polyoxyetylénu vo vode; zmiešame získanej zmesi s koncentrovanou kyselinou fosforečnou, ktorej množstvo je max. do dvojnásobku objemu vody použitej na rozpustenie polyoxyetylén-polyoxypropylén-polyoxyetylénu; zahriatie zmesi na teplom 240 - 260 °C počas 90 - 240 minút; ochladenie zmesi na izbovú teplotu; následné zmiešanie zmesi s toluénom alebo chloroformom, ktorého množstvo je max. do trojnásobku objemu vody použitej na rozpustenie poly oxyetylén-polyoxypropylén-polyoxy etylénu; dekantáciu zmesi a následné odfiltrovanie hydrofóbnych uhlíkových kvantových bodiek hCQD rozpustených v toluéne alebo v chloroforme.
2. Spôsob výroby nanokompozitného materiálu s antibakteriálnymi vlastnosťami podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že hydrofóbne uhlíkové kvantové bodky hCQD sú nanesené na povrch polyméru vo forme filmu.
3. Spôsob výroby nanokompozitného materiálu s antibakteriálnymi vlastnosťami podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že hydrofóbne uhlíkové kvantové bodky hCQD sú zakomponované do polyméru.
4. Spôsob výroby nanokompozitného materiálu s antibakteriálnymi vlastnosťami podľa nároku 1 alebo nároku 2, vyznačujúci sa tým, že substrát styrén-izoprén-styrénového triblokového kopolymém sa umiestni vnútri Langmuir-Blodgettovej vaničky, následne sa nanočastice hydrofóbnych uhlíkových kvantových bodiek hCQD rozpustia v chloroforme, pomocou mikrostriekačky rozptýlia na rozhranie vzduch/voda Langmuir-Blodgettovej vaničky, a po odparení chloroformu sa vrstva nanočastíc komprimuje na fázu monovrstvy a usporiadaná monovrstva sa prenesie na substrát regulovaným odstránením subfázy, pričom multivrstvy nanočastíc sa pripravia postupným pridávaním vrstvy po vrstve.
5. Spôsob výroby nanokompozitného materiálu s antibakteriálnymi vlastnosťami podľa nároku 1 alebo podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že sa zmieša 10 % roztok styrén-izoprén-styrénového triblokového kopolyméru v toluéne s roztokom hydrofóbnych uhlíkových kvantových bodiek hCQD v toluéne s koncentráciou hydrofóbnych uhlíkových kvantových bodiek hCQD 5 % hmotn., potom sa zmes vyleje do formy a nechá sa odstáť.
6. Spôsob výroby nanokompozitného materiálu s antibakteriálnymi vlastnosťami podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že polymér a hydrofóbne uhlíkové kvantové bodky hCQD sa zmiešajú v extrudéri pri teplote, ktorá je nad teplotou tavenia polyméru a pri rýchlosti miešania aspoň 30 ot./min. počas 10 minút, a následne sa extrudované vlákna lisujú do tvaru pásov pomocou hydraulického lisu pri rovnakej teplote, aká bola použitá pri miešam horúcich tavenín, pri tlaku 1 MPa, počas 3 minút.
7. Spôsob výroby nanokompozitného materiálu s antibakteriálnymi vlastnosťami podľa nároku 1, vyznačuj ú c i sa tým, že sa pripravia polyamidové roztoky v n-propanole s koncentráciou polyamidu 18 % hmotn., potom sa zriedi koloidný roztok hydrofóbnych uhlíkových kvantových bodiek hCQD v chloroforme, pripraví sa prekurzorový zvlákňovací roztok použitím 8 g roztoku polyamidu s koloidným roztokom obsahujúcim hydrofóbne uhlíkové kvantové bodky hCQD, potom sa vyrobia transparentné kompozitné polyamid/hydrofóbne uhlíkové kvantové bodky hCQD nanovlákna elektrostatickým zvlákňovaním pri izbovej teplote a 25 % relatívnej vlhkosti, a kompozitné nanovlákna sa vysušia pri izbovej teplote vo vákuu.
8. Nanokompozitný materiál s antibakteriálnymi vlastnosťami vyrobený spôsobom podľa nároku 1, nároku 2 alebo nároku 4, vyznačujúci sa tým, že hrúbka filmu hydrofóbnych uhlíkových kvantových bodiek hCQD je 3 - 100 nm.
9. Nanokompozitný materiál s antibakteriálnymi vlastnosťami vyrobený spôsobom podľa nárokov 1 až 5, vyznačujúci sa tým, že materiál v prostredí s modrým svetlom vo viditeľnom rozsahu s vlnovou dĺžkou 420 - 470 nm vykazuje antibakteriálnu aktivitu.
10. Nanokompozitný materiál s antibakteriálnymi vlastnosťami podľa nároku 8 alebo nároku 9, vyznačujúci sa tým, že materiál je transparentný.
11. Nanokompozitný materiál s antibakteriálnymi vlastnosťami podľa nárokov 8 až 10 na použitie v medicínskych aplikáciách, v potravinárskom priemysle a vo farmaceutickom priemysle.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SK50017-2017A SK288876B6 (sk) | 2017-03-02 | 2017-03-02 | Spôsob výroby nanokompozitného materiálu s antibakteriálnymi vlastnosťami, takýto materiál a jeho použitie |
| US16/490,439 US20200017646A1 (en) | 2017-03-02 | 2018-02-27 | Manufacture method of nanomaterial with antibacterial properties, the material thereof, and its use |
| EP18719324.8A EP3589682B1 (en) | 2017-03-02 | 2018-02-27 | Manufacture method of nanomaterial with antibacterial properties, the material thereof, and its use |
| PCT/SK2018/050004 WO2018160142A1 (en) | 2017-03-02 | 2018-02-27 | Manufacture method of nanomaterial with antibacterial properties, the material thereof, and its use |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SK50017-2017A SK288876B6 (sk) | 2017-03-02 | 2017-03-02 | Spôsob výroby nanokompozitného materiálu s antibakteriálnymi vlastnosťami, takýto materiál a jeho použitie |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| SK500172017A3 SK500172017A3 (sk) | 2018-09-03 |
| SK288876B6 true SK288876B6 (sk) | 2021-07-14 |
Family
ID=62028083
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SK50017-2017A SK288876B6 (sk) | 2017-03-02 | 2017-03-02 | Spôsob výroby nanokompozitného materiálu s antibakteriálnymi vlastnosťami, takýto materiál a jeho použitie |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20200017646A1 (sk) |
| EP (1) | EP3589682B1 (sk) |
| SK (1) | SK288876B6 (sk) |
| WO (1) | WO2018160142A1 (sk) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110643181B (zh) * | 2019-08-30 | 2021-07-20 | 北京化工大学 | 一种硅烷碳量子点增容的聚合物共混物及制备方法和应用 |
| CN110819097B (zh) * | 2019-10-29 | 2021-12-24 | 南京工业大学 | 一种碳量子点-聚合物复合材料及制备和应用 |
| BR102020002172A2 (pt) | 2020-01-31 | 2021-08-10 | Fundação Universidade De Brasilia | Potencializador de fotossíntese baseados em nanopartículas híbridas de carbono, seu processo de obtenção e seu uso como nanobioestimulantes e nanofertilizantes em cultivos agrícolas |
| CN112626846B (zh) * | 2020-11-16 | 2022-10-18 | 中科量子(广州)新材料有限公司 | 粘胶纤维及其制备方法和无纺布及其制备方法与应用 |
| CN112626847B (zh) * | 2020-11-16 | 2022-07-29 | 中科量子(广州)新材料有限公司 | 粘胶纤维及其制备方法与应用和无纺布及其制备方法和面膜布和面膜及其制备方法 |
| CN113004561B (zh) * | 2021-04-16 | 2022-10-18 | 天津大学 | 一种基于水性聚氨酯的双信号力响应聚合物复合薄膜及制备方法 |
| CN114376927A (zh) * | 2022-01-12 | 2022-04-22 | 皖西学院 | 一种基于精氨酸的碳量子点冻干粉作为防腐抗菌剂用于化妆品中的应用 |
| CN114854393B (zh) * | 2022-05-23 | 2024-05-17 | 山东大学 | 一种聚氧乙烯长链修饰的两亲碳点及其制备方法与应用 |
| CN115231551B (zh) * | 2022-09-05 | 2023-09-01 | 云南师范大学 | 一种利用邻苯二甲酸二甲酯制备碳量子点的方法 |
| CN119191541B (zh) * | 2024-11-07 | 2025-12-26 | 东北农业大学 | 一种人工湿地填料及制备方法和应用 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014023097A1 (zh) * | 2012-08-06 | 2014-02-13 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种杂原子掺杂的多功能碳量子点的制备方法及其应用 |
| WO2016025051A2 (en) * | 2014-05-26 | 2016-02-18 | William Marsh Rice University | Graphene quantum dot-polymer composites and methods of making the same |
-
2017
- 2017-03-02 SK SK50017-2017A patent/SK288876B6/sk unknown
-
2018
- 2018-02-27 US US16/490,439 patent/US20200017646A1/en not_active Abandoned
- 2018-02-27 WO PCT/SK2018/050004 patent/WO2018160142A1/en not_active Ceased
- 2018-02-27 EP EP18719324.8A patent/EP3589682B1/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20200017646A1 (en) | 2020-01-16 |
| EP3589682B1 (en) | 2021-01-27 |
| EP3589682A1 (en) | 2020-01-08 |
| WO2018160142A1 (en) | 2018-09-07 |
| SK500172017A3 (sk) | 2018-09-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| SK288876B6 (sk) | Spôsob výroby nanokompozitného materiálu s antibakteriálnymi vlastnosťami, takýto materiál a jeho použitie | |
| Liu et al. | Antimicrobial activity of zinc oxide–graphene quantum dot nanocomposites: enhanced adsorption on bacterial cells by cationic capping polymers | |
| JP5777337B2 (ja) | 抗菌性材料 | |
| Bai et al. | N-halamine-containing electrospun fibers kill bacteria via a contact/release co-determined antibacterial pathway | |
| Song et al. | Electrospun nanofibers with antimicrobial properties | |
| Baek et al. | In situ assembly of antifouling/bacterial silver nanoparticle-hydrogel composites with controlled particle release and matrix softening | |
| Zhang et al. | In situ assembly of well-dispersed Ag nanoparticles on the surface of polylactic acid-Au@ polydopamine nanofibers for antimicrobial applications | |
| Zhu et al. | Antimicrobial and antifouling surfaces through polydopamine bio-inspired coating | |
| JP5599470B2 (ja) | 抗真菌材料 | |
| US9005540B2 (en) | Conjugated polyelectrolyte capsules: light activated antimicrobials | |
| Wu et al. | Advancement of Near-infrared (NIR) laser interceded surface enactment of proline functionalized graphene oxide with silver nanoparticles for proficient antibacterial, antifungal and wound recuperating therapy in nursing care in hospitals | |
| Dai et al. | MSNs-based nanocomposite for biofilm imaging and NIR-activated chem/photothermal/photodynamic combination therapy | |
| US9370187B2 (en) | Selenium-based biocidal formulations and methods of use thereof | |
| Soumya et al. | Zinc oxide–curcumin nanocomposite loaded collagen membrane as an effective material against methicillin-resistant coagulase-negative Staphylococci | |
| Aliabadi et al. | HTCC‐Modified Nanoclay for Tissue Engineering Applications: A Synergistic Cell Growth and Antibacterial Efficiency | |
| Nerantzaki et al. | Design of a multifunctional nanoengineered PLLA surface by maximizing the synergies between biochemical and surface design bactericidal effects | |
| Peter et al. | CuO/Ag hybrid nanomaterial coated hydrophilic natural rubber film with minimal bacterial adhesion and contact killing efficiency | |
| US9505027B2 (en) | Method of immobilization of silver nanoparticles on solid substrates | |
| Zhan et al. | Silver nanoparticle-loaded titanium-based metal–organic framework for promoting antibacterial performance by synergistic chemical–photodynamic therapy | |
| D'Britto et al. | Silver nanoparticle studded porous polyethylene scaffolds: bacteria struggle to grow on them while mammalian cells thrive | |
| Chen et al. | Influences of processing and sterilizing strategies on reduced silver nanoparticles in poly (vinyl alcohol) electrospun membranes: Optimization and preservation of antibacterial activity | |
| Houshyar et al. | Smart suture with iodine contrasting nanoparticles for computed tomography | |
| Esfanjani et al. | Electrospun polycaprolactone coated with gum tragacanth containing layered double hydroxide/thymol nanohybrid for wound dressing application | |
| Fan et al. | Preparation and properties of antibacterial biomaterial PAA/TiO2/Ag | |
| Olmos et al. | Polymeric materials with antibacterial activity: A Review. Polymers 2021, 13, 613 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TA4A | Addition of inventor(s) | ||
| TC4A | Change of owner's name |
Owner name: USTAV POLYMEROV SAV, V. V. I., BRATISLAVA, SK Effective date: 20220121 |
|
| SPCT | Transfer of rights of an spc |
Free format text: OWNER(S): ABBVIE MANUFACTURING MANAGEMENT UNLIMITED COMPANY, IE; PREDCHADZAJUCI MAJITEL: ABBVIE IRELAND UNLIMITED COMPANY, IE; DATUM ZAPISU DO REGISTRA: 19.7.2024 Spc suppl protection certif: 299 50017-2017 Free format text: OWNER(S): ABBVIE IRELAND UNLIMITED COMPANY, IE; PREDCHADZAJUCI MAJITEL: ABBVIE BAHAMAS LTD., BS; DATUM ZAPISU DO REGISTRA: 19.7.2024 Spc suppl protection certif: 299 50017-2017 |